35  

 South Indian Journal Of Biological Sciences 2016; 2(1); 35‐40                                                  ONLINE ISSN: 2454‐4787 

 

Research Article 

 

Evaluation of cytotoxic effects of synthetic pesticide “attack” 

on root meristems of Allium cepa L. 

Soumya KR1, Teena MT1, Sudha S1,*   

1Post Graduate Department of Botany and Research Centre, Sree Krishna College, Ariyannoor P.O. Guruvayoor‐680102, Kerala, India 

* Corresponding author: Sudha S; E‐mail: sudha.soman@gmail.com 

Received 21 August 2015; Revised 28 September 2015; Accepted 30 September 2015; Published 2 January 2016 

 

Abstract 

Generally in agriculture farmers use pesticides to increase their yield by reducing crop losses by pests. 

Some chemical compounds used pesticides are mutagens. Present study evaluated the cytotoxic effect 

of synthetic pesticide “Attack” which is used instead of “Furadan”on root meristems of Allium cepa L. as 

a test system. The root meristems of A. cepa L. were treated with  five concentrations (1%, 2%, 3%, 4% 

and 5%) of  the  chemical pesticide “Attack”  for 6 h duration. Exposure  to different  concentrations of 

pesticide showed an  inhibitory effect on cell division  in root  tip cells of A. cepa and caused a general 

decline in Mitotic Index values. Additionally, a wide range of abnormal mitotic stages, were detected in 

treated  cells when  compared  to  control. The  total percentage of  aberrations generally  increased  in  a 

dose  dependant  manner.  Among  these,  frequently  observed  chromosomal  abnormalities  were 

despiralized prophase, disoriented prophase, vagrant prophase, diagonal metaphase, C  ‐ metaphase, 

vagrant metaphase, clumped metaphase, star anaphase, diagonal anaphase, anaphase with two bridges 

and with multiple  bridges,  aticky  anaphase,  telophase  stickiness,  hyperchromasia,  bi‐nucleate  and  4 

nucleate cells and micronucleus. The results of the present study clearly proved the sensitivity of Allium 

test and hence  substantiate  its use as a  cytogenetic  assay  to  assess  the  cytogenetic  effect of  chemical 

widely used as pesticides. The cytotoxic pesticides have potential to cause adverse environmental and 

health effects by inducing chromosomal abnormalities leading to mutations. 

Keywords: Allium cepa, Cytotoxicity, Attack, Chromosomal Aberrations, Mitotic Index, Root mersistem Cells. 

 

1. Introduction 

Pollution  is  a major problem which  lowers  the  quality  of  life  in various  aspects. A pollutant  is  any 

substance  that may present  in  the nature  in quantities greater  than natural abundance, chiefly due  to 

human  activities  and ultimately harm  the  environment  along with  its  living  system  (Khopkar  2002). 

Environmental pollutions may be mutagenic or toxic to all living organisms. Use and constant exposure 

to these chemicals may result in change in the genetic constitution of an organism.. Mutagenic activities 

36  

at  cellular  level  can be  induced by air pollutants, water pollutants,  food additives, drugs, beverages, 

pesticides  and  industrial  products. Radiomimetic  chemicals  are  those  chemicals  that mimic  ionizing 

radiations  in  the way which  they  cause  lesions  in  the  nucleic  acid. A wide  variety  of  radiomimetic 

chemicals are now known that are capable of causing cell damage and cell death of varying magnitude. 

Exposure to agrochemicals at the time of use in the field has been associated with an increase in cancer 

incidence (Settimi et al., 2003). 

   Many  genotoxic  studies  have  been  carried  out  to  detect  the  harmful  effects  of  different 

pesticides which  reveal  their hazardous  effects  in  addition  to benefits. Their undesirable  residues  in 

water,  food, and environment may cause some serious health problems. Chromosomal abnormalities 

induced by some of these compounds were found to be linked with their capacity to induce mutations 

(Panday et al., 1994). Chromosomal anomalies produced by pesticides  therefore can be regarded as a 

reliable evidence for the evaluation of genotoxicity (Grant 1982). Plant genotoxicity assays are relatively 

inexpensive, fast and gives reliable results and chemicals which cause chromosomal alterations in plant 

cells  also produces  chromosomal  abnormalities  in  cultured  animal  cells  that  are  frequently  identical 

(Grant  1978).  The  plants  for  being  direct  recipients  of  agro  toxics,  becomes  important material  for 

genetic  test  and  for  environmental  monitoring  of  cases  affected  by  such  products  (Sharma  and 

Paneerselvan 1990).  

Allium cepa (Onion) has been considered as a most efficient test organism to indicate the presence 

of mutagenic chemicals due to its kinetic characteristics of proliferation and possession of chromosomes 

suitable  for  cytotoxic  study. Different parameters  of Allium  cepa  such  as  root  shape,  growth, mitotic 

index,  chromosomal  aberrations  etc  can  be  used  to  estimate  the  cytotoxicity  and  mutagenicity  of 

environmental  pollutants  ʹʹAttackʹʹ  is  a  commonly  used  insecticide  in  agricultural  fields  instead  of 

Furadan. It is an emulsifiable concentrated liquid containing Fenvalerate 20 % as an active principle. It 

acts  as  a  contact  and  stomach poison  and  is best  suited  to  control pest  affecting  field  crops  such  as 

Cotton,  Ladyʹs  finger,  Cauliflower,  Brinjal,  Tomato  and  Cabbage  and  other  vegetable  crops. When 

applied  to soil,  it retains  its effectiveness  for a considerable period of  time. So,  the present study was 

designed to investigate the effects of Attack on mitotic index and frequencies of abnormalities in root tip 

cells of A.cepa L. with a view to detect their mutagenic potential. 

 

2. Materials and methods 

Commercially available bulbs of onion (Allium cepa L.) were utilized for the study. Acetocarmine squash 

preparation was used for mitotic studies. Two slides were prepared for each treatment and scoring was 

done from 5 different sites that were randomly selected. The resulting data were pooled to calculate the 

Mitotic index (M.I), and percentage of abnormality. The mitotic index was calculated for each treatment 

as number of dividing cells / Total number of cells counted and expressed as percentage. The cells were 

also scored for cytological abnormalities and the percentage of aberrant cells to total number of dividing 

cells observed. The relative frequency of the different aberrations at each dose was calculated.  

3. Results 

Exposure  to  different  concentrations(1%,  2%,  3%,  4%  and  5%)  of  pesticide  significantly  and  dose 

dependently inhibited the mitotic index (Table 1) in the root tip cells of A. cepa L. there were significant 

differences  in  the M.I  values  as  compared  to  control  at  all  treatments  right  from  the  lowest dosage 

(Table  2).  It  shows  the  exponential  relationship  between  the  percentage  of  aberrations  and 

concentrations of  the  test compounds.  It could significantly  increase  the percentages of chromosomal 

aberrations  at  all  concentrations more  or  less  in  a  dose  dependant manner.  The  highest  number  of 

37  

mitotic  aberrations  was  recorded  in  root  tip  cells  subjected  to  6  hrs  treatments  in  5%  Attack 

concentrations.    A  wide  spectrum  of  aberrations  (Fig.  1  and  Fig.2)  was  observed  in  the  treated 

meristematic  cells.  The  cytological  aberrations  observed  in  onion  root  tip  cells  wee  despiralized 

prophase, disoriented  prophase,  vagrant  prophase, metaphase,   C  – metaphase,  vagrant metaphase, 

clumped metaphase, star anaphase, vagrant anaphase, diagonal anaphase, anaphase with two bridges 

and multiple bridges, sticky anaphase, telophase stickiness, nuclear lesion, binucleate and tetra nucleate 

cells, hyperchromasia and  micronucleus (Fig. 3). 

Table 1. M.I in root tip cells of Allium cepa L. exposed to different concentrations of pesticide “Attack”. 

Treatment 

number 

Conc. (%)  No of dividing cells  Total no of abnormal cells   Percentage (%)of 

abnormality 

1  Control  1136 ± 5.54  390 ± 4.49  34.3 ± 3.02 

2  1  1029 ± 1.82  280 ± 3.58  27.2 ± 1.39 

3  2  1030 ± 1.58  242 ± 4.09  23.5 ± 1.48 

4  3  1120 ± 2.70  295 ± 2.30  18.3 ± 1.19 

5  4  1133 ± 3.69  118 ± 1.58  10.4 ± 0.54 

6  5  1125 ± 4.15  104 ± 3.39  9.2 ± 2.03 

 

Table 2.  Percentage (%) of abnormality caused by pesticide “Attack” on root tip cells of Allium cepa L. 

Treatment number  Conc. (%)  No of dividing cells  Total no of abnormal 

cells 

 Percentage 

(%)of 

abnormality 

 

1 

 

Control 

 

390 ± 4.49 

 

3 ± 0.60 

 

0.8 ± 0.13 

 

2 

 

1 

 

280 ± 3.58 

 

16 ± 0.89 

 

5.7 ± 0.08 

 

3 

 

2 

 

242 ± 4.09 

 

26 ± 1.38 

 

10.7 ± 0.10 

 

4 

 

3 

 

295 ± 2.30 

 

33 ± 2.10 

 

11.2 ± 1.19 

 

5 

 

4 

 

118 ± 1.58 

 

41 ± 1.82 

 

34.7 ± 0.51 

 

6 

 

5 

 

104 ± 3.39 

 

56 ± 2.14 

 

53.8 ± 0.92 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1. Percentage of abnormality caused by pesticide “Attack” on root tip cells of Allium cepa L. 

01020304050607080

Stickine

ss

Vagran

ts

Diso

rientation

Star

chr

omos

ome

c- M

itosis

Des

piralis

ation

Binu

clea

te cell

4 - n

uuclea

te cell

Hyp

ochr

omas

ia

Micronu

cleus

nuclea

r Les

ion

Bridge

s

Type of aberration

frequency

Attack

38  

 

 

 

 

 

Fig. 2. Mitotic Index in root tip cellsof Allium cepa L. exposed to different concentrations of pesticide “Attack”. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.3. Different chromosomal aberrations induced by synthetic pesticide ‘Attack” on root tip cells of Allium cepa L.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

CONTROL 1 2 3 4 5

CONCENTRATION

MIT

OT

IC I

ND

EX

ATTACK

39  

4. Discussion 

The  result of  the present  study  reveals clear evidences of  the cytotoxic effects of  tested  synthetic pesticide 

“Attack”. Wide spectrum abnormalities exhibited by  the  treatment proved  that even exposure  to relatively 

smaller concentrations have  significant effects on mitotic  index and  structure of chromosome and disturbs 

mitotic  spindle  formation. Lowering  of M.I  in  treated  root meristems  could  be due  to  inhibition  of DNA 

synthesis(  Sudhakar  et  al.,  2001),  arrest  of  one  or more mitotic  phases(  Kabarity  and Mallalah  1980)  or 

blocking  of  G2  phase  in  the  cell  cycle  preventing  the  cell  from  entering mitosis.  Reduction  in MI with 

increasing concentrations clearly demonstrates  the ability of chemical  to  inhibit DNA synthesis. Significant 

genotoxicity  observed  at  high  concentrations  can  be  another  probable  reason  for  the  lower mitotic  index 

scores noted  at  these dosages. The decrease  in mitotic  activity was  accompanied by  several  chromosomal 

abnormalities.  Most  noticeable  abnormalities  noted  with  treatments  were  stickiness,  despiralization, 

disorientation, bridges, vagrants, micronucleus  etc. Stickiness  is one of  the major abnormality noted  in  the 

present study. Stickiness may be produced by the physical adhesion of chromosomal proteins (Patil and Bhat 

1992) or due to disturbances in the nucleic acid metabolism of the cell or the dissolution of protein covering 

the DNA  in chromosomes (Mercykutty and Stephen 1980). Appearance of Bridges at various stages may be 

due  to  general  stickiness  of  chromosomes  (Nahla  and  Soliman  1980  )  and  it may  also  arise  because  of 

breakage and reunion of chromosomes. 

Occurrence of lagging chromosomes might be due to the hindrance of pro‐metaphase movement of 

chromosomes accompanied by adhesion of centromere to the nuclear membrane (Nagpal and Grover 1994). 

Diagonal orientation was due to a slight tilt in the spindle apparatus (Renjana et al., 2013). Star chromosomes 

was less frequently found even with increased concentrations, which is believed to be a fore step of complete 

disturbances of spindle (Anthony and Hussey 1999). C Metaphase was the evidence of the action of pesticides 

on mitotic  spindle  (Grover and Malhi 1988). A considerable proportion of nuclear  lesions  can be  recorded 

most of which may be due to the dis  integration of a portion of nuclear material by the action of pesticides 

(Omanakumari et al., 2006). Hyperchromasia is one of the most distinguished states of aberration which is an 

extremely  condensed  and  deeply  staining  stage  of  nucleus  caused  by  the  influence  of  toxic  chemicals  or 

during  incompatible  conditions.  Gernand  et  al.,  (2005)  suggested  this  to  be  caused  by  the  gradual 

heterochromatinization in response to stress. 

The occurrence of binucleate and  tetra nucleate cells arise as a consequence of  the  inhibition of cell 

plate  formation.  Failure  of  cell  plate  formation  in  already  binucleate  cells may  give  rise  to multinucleate 

condition. Micronuclei may be a result of acentric fragments or entire chromosomes not incorporated into the 

main nucleus during  the cell cycle. Later  fragments may come  together and  form one or more micronuclei 

which have get only limited chance for survival (Fenech and Crott 2002). The significant reduction in mitotic 

index and increased percentage of abnormality reported in the present study indicates that this pesticide has 

clear antimitotic activity and should be regarded as a strong cytotoxic agent. According to Fiskesjo (1985), a 

positive result in Allium test should be taken as an indication about the potential hazards and the occurrence 

of wide spectrum of abnormalities is an indication of the high mutagenic potential of the pesticide tested. 

 

4. Conclusion 

The present study reveals the mitodepressive effects of Pesticide “Attack” on root meristems of Allium 

cepa L.. The treatments showed a wide array of cytological abnormalities like stickiness, disorientation, 

despiralization,  vagrants,  bridges,  micronucleus,  bi‐nucleate  and  tetranucleate  nucleate  cells, 

hyperchromasia. This clearly indicates that these chemical is a strong clastogen having severe effects on 

chromosomes  and  on  their mitotic  spindle. The  outcome  of  the  present  study  reveals  that  care  and 

attention should be paid  to estimate  the  toxic potential of  the pesticides which are constantly used  in 

40  

agricultural fields for improved crop yield and A. cepa test can be suggested as a powerful and efficient 

test for such cytogenetic toxicity assessments.       

 

Conflict of interest statement  

We declare that we have no conflict of interest 

 

References 1. Anthony GR, Hussey  JP.    (1999). Dinitroaniline  herbicide  resistance  and  the microtubule  cytoskeleton 

trends. Plant sciences, 4, 112. 

2. Fenech M, Crott  JW.  (2002). Micronuclei nucleoplasmic bridges and nuclear buds  induced  in Folic acid 

deficient human lymphocytes ‐ evidence for breakage, fusion, bridge cycles in the cytokinesis and blocks 

‐ micronucleus assay. Mutation Research, 504, 131 ‐ 136. 

3. Fiskesjo G (1985). The Allium test as a standard in environmental monitoring. Heriditas, 102, 99 ‐ 112. 

4. Gernand Drutten T, Varshney A,   Rubtsova M.   (2005). Uni parental chromosome elimination at mitosis 

and  Interphase  in  wheat  and  Pearl  millet  crosses  involves  Micronucleus  formation,  progressive 

heterochromatinization and DNA fragmentation. Plant Cell, 17, 2431 ‐ 2435. 

5. Grant  WF.  (1978).  Chromosome  aberrations  in  plants  as  monitoring  system.  Environmental  Health 

Perspectives, 27, 37 ‐ 43. 

6. Grant WF.  (1982). Chromosomal  aberration  assay  in Allium  cepa L.    a  report  of  the U.S  environmental 

protection agency gene toxicity programme. Mutation Research, 99, 273 ‐ 291. 

7. Grover  JS, Malhi PK.    (1988). Genotoxic effects of some organophosphorus pesticides  (IV) chromosomal 

aberrations in pollen mother cells of barley. Cytology and Genetics, 23, 106 ‐ 112. 

8. Kabarity A,  Mallalah G. (1980). Mitodepressive effects khat extracts on meristematic region of Allium cepa 

root tip cells. Cytologia, 45, 733 – 738. 

9. Khopkar SM.  (2002). Environmental pollution analysis. Wiley Eastern limited. New Delhi. 102 ‐ 116. 

10. Mercykutty VC, Stephen  J.  (1980). Adriamycin  induced genetic  toxicity as demonstrated by Allium  cepa 

test. Cytologia, 45, 769‐ 777. 

11. Nagpal A, Grover IS. (1994) Genotoxic evaluation of systemic pesticides in Allium cepa L Caryologia, 37, 99 ‐ 

105. 

12. Nahla RA, Atef SS.  (1980). Cytological effects of fungicides. I. mitotic effects of vitavax‐200 and dithane S‐

60 on wheat and two related species. Cytologia,  45, 163 ‐ 168. 

13. Omanakumari N, Shabu P, Rejitha PG.  (2006). Cytotoxic effects of  food additives ajinomoto on  root  tip 

cells of Allium Cepa L. Journal of Cytology and Genetics, 71,   63 ‐ 68. 

14. Panday  RK,  Shukla  R,    Datta  S.  (1994).  Cytotoxic  effects  of  one  fungicide  (Dithane  M  ‐  45)  and  2 insecticides (Aldrex 30 and Metacid ‐ 50). Cytologia,  59, 419 ‐ 422. 

15. Patil  BC,  Bhat  GI.  (1992).  A  comparative  study  on  MH  and  EMS  in  the  induction  of  chromosome 

aberration on root meristems of Clitoria ternata L. Cytlogia, 57, 259 – 264. 

16. Renjana PK, Anjana S, John E Thoppil. (2013). Evaluation of genotoxic effects of baking powder and mono 

Sodium  glutamate  (MSG) using Allium  cepa Assay.  International  Journal  of Pharmacy  and Pharmaceutical 

sciences, 5(2), 132 ‐ 139. 

17. Settimi  L,  Masina  A,  Andrion  A,  Axelson  O.  (2003).  Prostate  cancer  and  exposure  to  pesticides  in 

agricultural settings. International Journal of Cancer, 104, 458 ‐ 461. 

18. Sharma CBSR  and  Paneerselvan  (1990). Genetic  toxicity  of  pesticides  in  higher  plant  systems.  Critical 

Review in Plant science, 9, 409 ‐ 442. 

19. Sudhakar  R, Ninge Gowda N, Venu G  (2001). Mitotic  abnormalities  induced  by  silk  dyeing  industry 

effluents in the cells of Allium cepa L. Cytologia, 66, 235‐239.